3.3 系统设计的优化与实现（教学课件）通用技术苏教版2019必修2

3.3系统设计的优化与实现 苏教版（2019）必修《技术与设计2》 高中通用技术 目录 一 学习目标 二 课堂导入 三 技术探究 四 课堂小结 五 拓展延伸 六 课堂练习 学习目标 一 经历简单系统设计方案的优化过程，阐明系统优化的意义，探究影响系统优化的因素。 能通过简单系统设计方案的实现，概述系统设计的基本方法，增强系统与工程思维的能力。 二 课堂导入 同学们通过系统的设计分析与讨论，基本形成了多个比较成熟的设计方案，并就满足学校实际需求、加工制作过程较为简单等方面进行了雨水收集系统的优化与实现。 三 技术探究 优化系统设计的方案 任务一 三 技术探究 系统设计的实现是在系统设计分析的基础上，对所提出的多个方案进行比较、权衡和优化，最终形成满足预定目标的最佳系统及其物化的过程。 我们做任何事情都希望达到最优的效果，如希望以最小的成本获得最大的利润，在最短的工期内完成最多的工程量，以最少的能耗生产最多的产品，在单位面积上尽可能提高农业产量等。 三 技术探究 三 技术探究 三 技术探究 系统的优化 在给定的条件（或约束条件）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。 目标函数：系统优化的目的与影响系统优化的相关因素之间的关系。 约束条件：农作物的生长特性、天气、气候等因素对农作物套种起着限制作用。 影响因素：套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等对套种的产量产值有直接影响，这些是增产增收的。 是不能人为调节的。 可以人为调节的。 三 技术探究 利润问题 某家具厂要安排一周的生产计划，产品是桌子和椅子。制作一张桌子需4m2木板及20h的工时，制作一把椅子需6m2木板及18h的工时；每周能使用的木材板料是200m2，可利用的工时是400h；每张桌子的利润是50元，每把椅子的利润是60元。按合同每周至少要交付8张桌子和5把椅子，并假定所有产品都能够销售出去。那么，该厂每周生产桌子和椅子的数量分别为多少时，获得的利润最大？ 在本问题中，优化的目标是家具销售获得最大利润，约束条件是材料和劳力的限制及应遵守的合同。设x1为每周生产桌子数，x2为每周生产椅子数，则 其中，①式是目标函数，②③④式是约束条件，x1、x2是决策变量，也就是影响优化的因素。 要求出一组x1、x2，使得①式的目标函数取最大值，并且满足②③④式。 求解过程略。 思考：如果其他条件不变，每周可利用的工时减为300h，每周生产多少桌、椅获得的利润最大？ 学生求解。答案不唯一，教学设计里说明。 三 技术探究 通常，我们通过优化的目标与决策变量之间的关系（数学模型），计算出目标值，所得到的就是最优解。 最优解 满意解 对有些问题，如果我们不能确切地描述目标函数，则可以通过定性的估计或推断，得到较为满意的解（也称满意解）。 为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为最优化方法。 三 技术探究 对校园雨水的收集与利用系统的三个方案进行优化。 方案1 楼房屋面和校园地面相互独立收集雨水，分别给楼房和绿地供水。两处收集的雨水多余部分都独立排入观赏水池。系统模型如下： 三 技术探究 方案2 楼房屋面和校园地面收集的雨水集中汇集到中水处理子系统，然后由中水处理子系统分别按需供给楼房和绿地。中水处理子系统收集的雨水多余部分排入观赏水池。当中水处理子系统储水不足时，城市供水系统自动补充。系统模型如下： 三 技术探究 方案3 楼房屋面和校园地面收集的雨水集中汇集到中水处理子系统，然后由中水处理子系统分别按需供给楼房和绿地。中水处理子系统收集的雨水多余部分排入观赏水池。当中水处理子系统储水不足时，城市供水系统自动补充。在楼房屋面收集的雨水进入中水处理子系统之前安装水力发电子系统。系统模型如下： 三 技术探究 请完成以下任务： 1. 结合系统的设计分析框图模型对以上三个设计方案进行分析和评价，并填写下列表格。 2. 请对校园雨水的收集与利用系统各方案的具体情况进行系统的分析和比较，并提出该系统优化设计的最终方案。 方案 优点 缺点 方案1 方案2 方案3 楼面和屋面雨水收集系统各自独立运行，各自发挥功能，简单易行 要投入两套雨水净化与储存子系统，重复建设，成本较高，且不能相互补水 楼面和屋面雨水收集系统共同收集雨水，汇合到中水处理系统统一处理，统一调配使用 利用收集到的雨水，在系统重附加了水力发电子系统，即利用水的势能发电还能供水，实现效益最大化 所有的雨水汇合收集，需要附加设施把低处的水泵到高处，汇到一起，用于楼房、绿地、水池供水 需要把低处的地面的水，泵到高处储水装置，才能利用水的势能发电 三 技术探究 有人说：“系统的优化，不能简单地把各方案中的优点集中在一个方案中，这样做往往会适得其反。”如何理解这句话？ 要服务于系统整体功能和优化目标来进行优化系统的设计方案，要对各方案中的优点进行比较权衡，要考虑目标函数、决策变量、约束条件的共同作用效果，达到系统优化的总目标。 三 技术探究 实现校园雨水收集与利用系统的设计方案 任务二 三 技术探究 一般情况下，系统设计的实现应包括设计方案的呈现和模型或原型的制作与测试。 模型或原型的制作与测试包括实物模型的设计，加工图纸、加工材料和工艺的选择，加工制作过程及模型的最终呈现等，对模型的测试是对系统进行总体技术设计评价。 评价有多种形式，对于实体系统设计而言，就需要对模型或原型进行实际运行测试和评价。 三 技术探究 三 技术探究 室内住宅电气系统的设计 在家庭装潢过程中，人们容易忽视对住宅的室内电气线路进行系统的设计，从而导致装潢完成以后才发现设计不合理之处，所以进行住宅室内电气线路的整体系统设计很重要。 杨辉准备对自己的一套三室二厅的新房进行装修，需要提出对室内电气线路进行系统设计的方案。 设计要求： 1. 用电负荷：照明用电负荷约800W，娱乐用电（包括电视机、音响、计算机等）负荷约1500W，厨房用电 （包括电饭煲、电冰箱、电热水器等）负荷约4500W，卫生间用电（洗衣机、排气扇等）负荷约1300W，5台空调， 每台约1500W。 2. 照明和各种家用电器使用安全、方便，相互之间影响小，便于维修。 设计分析： 1.设计的目的是方便住户使用，满足住户的舒适和审美要求，便于日后维修，遵守《民用建筑照明设计规范》， 确保室内电气线路的安全。 2.户内配电系统由电能分配系统和若干个供电子系统组成。 3. 当某一回路发生故障时，不影响其他回路的正常工作，如因电饭煲使用不当发生短路时，不影响室内照明回 路的工作。 三 技术探究 设计方案： 1. 电源配电箱。 电源通过住宅的专用配电箱再进入房间的配电箱，此配电箱中应装配总的空气开关，房间各回路都应该配置独立的空气开关，所有的空气开关都应具有短路、过载和漏电保护功能。在设计布线之前，先要根据总的用电情况预测用电负荷，确定总的空气开关的规格（该用电负荷要和公共电网分配给该用户的用电容量相匹配），然后依据各回路负荷情况选择规格相适应的空气开关。 2. 回路设计。 户内配电系统采用多回路形式，本例设计了照明回路、一般插座回路和空调回路。若住户有特别需要，回路的设计还可以采取其他方法，如每个房间设为独立的照明回路，厨房、淋浴室为独立回路等。 （1）导线与电器设备选择。 导线的选择主要是确定导线的型号和规格，原则是既能保证配电的质量与安全，又能节省材料，做到既经济又合理。电器设备是指电源配电箱、电表、控制开关、漏电保护开关及电源插座等，应根据住宅的负荷情况、安装要求、使用环境、设备的工作电压和工作电流等合理选择电器设备的型号和规格。 （2）线路布置。 照明线路的布置通常可以从两个方面考虑，一是具有使用价值，保证房间里光线充足明亮，每个房间通常应合理安排一个主光源；二是体现一定的个性，合理设计、精心挑选风格独特的灯饰，以映衬家庭装饰的风格。智能程度较高的住宅，其电气线路设计中还包括预埋电话线、有线电视信号线、视频线、网络线等，有的还包括消防系统的设计等。在形成了住宅的电气线路设计方案后，绘制出线路走向位置尺寸图和线路布线图，编写《电气线路设计说明书》，并向住户反馈设计方案，根据住户的意见进行修正。 三 技术探究 方案实施： 导线的敷设应根据电气设计的规定进行施工，隐蔽的电气线路还要在住户验收合格后才可走线。 电气线路工程完工后，由住户根据电气设计的安全性、功能性、舒适性和方便维修等方面进行验收评价或改进。 讨论： 1. 有同学提出，自己的家里插座用电负荷很小，所以可以把照明与插座作为同一回路进行设计。你认为这种设计会带来什么问题？ 2. 杨辉提出自己的新房是三室二厅的，以每个房间为一个独立回路进行设计比较合理。请对他的提议进行利弊分析。 1.根据《住宅建筑规范》50368—2005第8.5.5强制性条文“住宅套内的电源插座与照明，应分路配电……”把照明和插座作为同一回路进行设计，首先违反了技术规范原则。其次《住宅建筑规范》规定插座回路必须安装漏电保护断路器。在安装了漏电保护断路器后，插座和照明使用同一回路，如果干线截面积能够带动所有的负荷，只是故障时的停电范围较大，给检修带来一些不方便；如果干线截面积不能带动所有的负荷，当负荷过大时，漏电保护断路器工作，照明与插座回路同时断电。 2.以房间为一个独立回路进行设计，回路少，布线简单，经济，出现故障时容易检修。但是这种做法违反了技术规范原则，而且每个回路的负荷不同，需要使用不同规格的导线，每个回路的漏电保护断路器的额定电流由该回路最大负荷决定，如果房间照明线路发生断路，漏电保护断路器可能无法发挥作用，产生危险。 三 技术探究 设计制作校园雨水收集与利用系统模型 设计要求： 1. 能有效收集屋面和校园内硬化地面及塑胶跑道的雨水。 2. 收集的雨水通过净化处理能成为可以使用的中水。 3. 能持续给卫生间、洗拖把的水池、绿地和观赏性池塘供水，不能因为雨水少而无水可用。 4. 节能。 设计分析： 1. 所有设计和安装的设施设备都要保证原建筑物安全。例如，把蓄水装置放在楼顶，就要考虑楼面的防水和承重问题等。 2. 水箱补水系统不能造成自来水污染。 3. 雨水收集系统中，雨水的净化装置所产生的废料要便于清运。 4. 保证各楼层供水的压力。 5. 尽量减少电力的使用。 6. 由于绿地和池塘用水量比较大，且只对雨水进行简单沉淀处理就可以直接使用，故为了节约能源，地面雨水收集子系统和屋面雨水收集子系统应该相对独立。 7. 在屋面雨水收集子系统水量充足的情况下，对绿化和池塘用水子系统进行分流而不进入雨水净化子系统，以达到节能的目的。 8. 校园雨水收集系统采用上、下水箱相结合的形式，在上、下水箱处设置补水装置。 三 技术探究 设计制作校园雨水收集与利用系统模型 设计方案： 1. 因为绿化和楼房供水两个子系统对供水的水质要求不一样，所以为了节能，分成两个相对独立的子系统。楼房供水要进行中水处理，而绿化用水只要通过过滤和沉淀即可。 2. 楼房供水子系统主要用于冲厕和打扫卫生，用水量较小，且对供水要求只要达到中水要求就可以，所以采取独立供水的模式，利用屋面收集雨水并对其进行净化。如果水量不够，就用自来水对其进行补水作业；如果雨量较大，则不经过净化环节，在收集雨水环节就采取溢水的方法，进入地面雨水收集子系统。 3. 绿化和池塘供水子系统中的水主要来自地面收集的经过简单处理的雨水。 4. 池塘可作为雨水过多时的蓄水池。 制作准备： 材料：矿泉水瓶若干、三通配件若干、热熔胶棒、背景板一块、试验用水、 胶管5 m、水槽一个。 工具：电热丝加工工具、热熔胶枪、剪刀、三角锉。 三 技术探究 设计制作校园雨水收集与利用系统模型 模型制作： 1. 将矿泉水瓶用电热丝加工工具切割成两个部分，瓶口部分作为接水部件，瓶身部分作为水箱备用。 2. 在瓶口和瓶身的适当部位安装胶管。 3. 按照校园雨水收集与利用系统框图模型进行合理布局后，用热熔胶在背景板上进行固定。 4. 模拟雨水收集试验，测试结果。 5. 根据试验结果进行优化调整。 6. 写出试验报告。 思考：如何对洗拖把用水进行收集和利用？请你对模型进行改进并验证自己的设想是否可行。 可以将洗手池与地面雨水净化储存装置连接，洗手池的水汇入地面雨水净化储存装置，加以利用。 三 技术探究 “要达到系统的优化目标，系统的各子系统的目标必须达到最优”，这一说法正确吗？ 这种说法不正确。在一个系统中，即使每个要素都不是十分完善，但它们也可以协调、综合称为具有良好功能的行；反之，即使每个要素都是良好的，但作为整体却不具备某种良好的功能，就不能称之为最优的系统。 四 课堂小结（思维导图） 系统设计的优化与实现 优化系统设计的方案 系统优化的概念 目标函数 约束条件 影响因素 最优解 最优化方法 满意解 实现校园雨水收集与利用系统的设计方案 设计方案的呈现 模型或原型的制作与测试 五 拓展延伸 美国阿拉斯加原油运输问题 美国阿拉斯加盛产石油，所生产的原油需要向美国本土运送。由于阿拉斯加地处北极圈内，问题就变得复杂了。 本项目的任务和环境：要求每天运送原油200万桶。油田处于北极圈内，海湾长年处于冰封状态，陆地也是长年冰冻，最低温度达-50℃。为了解决气候原因带来的问题，研究团队提出了四个解决方案。 方案一：由海路用运油船运输。优点是每天仅需4~5艘超级油轮就可满足运送量。的需要，比铺设油管省钱。但存在以下问题：（1）要用破冰船引航，需要增加费用，同时还有安全问题。因为油轮触及冰山或被冰块撞击可能导致沉船，或原油泄漏造成环境污染。（2）起点和终点都要建造大型油库，这又额外增加了一笔巨大开支，而且为了保证供应，并考虑到海运容易受海上风暴的影响，油库的储量应在油田日产量的十倍以上。 方案二：用带加温设施的油管运送原油。优点是可以利用成熟的管道输油技术。管道输油已广泛应用于世界其他地区。然而，由于北极圈内常年低温，存在的问题如下：（1）要在沿途设加热站，这样一来管理复杂，又要供给燃料。（2）加热后的输油管不能简单地铺在冻土里，因为冻土受热融化后会引起管道变形，甚至造成断裂。为避免这种危险，有一半管道需要用底架支撑，这样架设管道的成本比铺地下油管的成本高出三倍。 方案三：把海水浓缩到含盐量为10% ~20%后加入原油中，从而降低原油低温下的黏性，这样就可以用普通的输油设备完成运输工作。 方案四：将天然气转换为甲醇后再加到原油中，增加其流动性，从而可以用普通管道同时输送原油和天然气，运输成本大大降低。 六 课堂练习 1.某设计师从蜘蛛的形态中汲取灵感，设计了如图所示的蜘蛛椅，针对该椅子的设计，下列说法中合理的是（    ） A．该设计师在构思时采用了形态分析法 B．椅面的大小，主要考虑物的因素 C．坐垫采用高回弹海绵，主要考虑环境的因素 D．相比于传统椅子，设计师主要进行了外观优化 D 六 课堂练习 2.一种不合格产品自动筛选系统如图所示，包含产品传输子系统和产品筛选子系统。其工作过程：电机2转动带动传送带运动，把传送带上的产品往右带动。当传感器检测到不合格品时，电机1带动推杆往外运动，把不合格品推出传送带，让传送带上只留下合格品。下列关于不合格产品自动筛选系统的设计与分析不恰当的是（    ） A．选择推杆时，既要考虑电机1的位置又要考虑传送带的宽度 B．控制器的运行效率会影响产品识别的准确率 C．提高传送带传送速度有利于推杆精准推下不合格产品 D．传感器的可靠性对产品传输子系统没有影响 C 六 课堂练习 3.如图所示具有高频压实功能的热固性复合材料3D打印系统，由整体安装架、压实机构、可调喷头等组成，包含送料控制子系统、温度控制子系统和压实控制子系统等。其工作过程为：缠绕在放料机构上的纤维丝束经重送对辊提供的驱动力进入可调喷头，由喷头内部的加热装置加热至设定温度后从喷头挤出，在冷却前通过压实机构的高频直线往复运动压实定型，同时随动紫外光源照射预固化，提高3D打印过程中热固性复合材料的压实率。下列关于3D打印系统的分析中正确的是（    ） A．该系统由整体安装架、压实机构、可调喷头等组成，体现系统的相关性 B．外围控制模块通过大量的计算，实现3D打印头高频压实功能，体现系统分析的科学性原则 C．该系统优化的目标是提高3D打印过程中热固性复合材料的压实率 D．热固性复合材料的熔点是该系统优化的影响因素 C 六 课堂练习 4.如图所示是一款基于单片机的可调速控制按摩椅，利用单片机接收步进脉冲信号控制步进电机的转速和加速度，从而控制震动的快慢和幅度，以实现调速的目的。通过按键，用户可以让按摩机工作在最具舒适性的按摩工作方式和振动速度；利用蜂鸣器来告警或提示按摩完成；利用发光二极管显示当前的工作状态。关于该按摩椅的设计分析，下列说法中不合理的是（    ） A．设计按摩椅时，应先针对按摩模式、舒适性、人机交 互等进行总体设计，再分别进行硬件和软件设计 B．单片机接收脉冲信号控制步进电机的转速和加速度，体 现了系统的环境适应性 C．设计时根据脉冲信号频率准确匹配步进电机转动加速度，体现了系统分析的科学性原则 D．步进电机的精度和耐高温性能是影响系统优化的因素 B 谢 谢！ 高中通用技术苏教版（2019）必修2 Lavf61.7.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf61.7.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $